Entendendo os picos de pressão em compressores
Definição: O que é Surging?
Surgindo A instabilidade aerodinâmica (também chamada de surto do compressor) é uma violenta instabilidade aerodinâmica em compressores centrífugos e axiais, onde todo o fluxo através do compressor inverte periodicamente a direção, criando oscilações de pressão e fluxo com frequências tipicamente na faixa de 0,5 a 10 Hz. Durante um ciclo de surto, o fluxo para ou inverte momentaneamente, a pressão cai, então o fluxo retorna à direção normal, a pressão sobe e o ciclo se repete. Isso cria enormes forças flutuantes no rotor, produzindo danos severos. vibração, um ruído estrondoso e alto, e pode destruir um compressor em minutos se não for interrompido imediatamente.
A sobrepressão é fundamentalmente uma instabilidade do sistema que envolve o compressor e sua tubulação/volume, e não apenas o compressor em si. Ela ocorre quando se tenta operar além da capacidade de aumento de pressão do compressor com baixas vazões, e sua prevenção requer sistemas de controle anti-sobrepressão que mantenham o fluxo acima da linha de sobrepressão.
O Mecanismo de Sobrecarga
Descrição do ciclo de surto
Um ciclo de surto típico progride da seguinte forma:
- Redução de fluxo: A demanda do sistema diminui, o fluxo através do compressor reduz.
- Início da estolagem: Em vazões muito baixas, as pás do compressor travam (o fluxo se separa).
- Colapso de pressão: O compressor parado não consegue manter a pressão de descarga.
- Inversão de fluxo: O gás de alta pressão na tubulação de descarga/plenum flui na direção oposta através do compressor.
- Equalização de pressão: A pressão de descarga diminui à medida que o gás flui na direção oposta.
- O fluxo direto é retomado: Assim que a pressão cair, o compressor poderá voltar a funcionar normalmente.
- A pressão aumenta: O fluxo direto aumenta a pressão de descarga.
- O ciclo se repete: A alta pressão causa novamente a parada, repetindo o ciclo.
Frequência de surto
- Determinado pelo volume do sistema (tubulações, câmaras de distribuição, vasos) e pelas características do compressor.
- Volumes maiores → menor frequência de picos
- Faixa típica: 0,5-10 Hz
- Sistemas pequenos: 5-10 Hz
- Sistemas de grande porte: 0,5-2 Hz
- Frequência relativamente constante para um determinado sistema
Condições que levam à onda
Operando além da linha de surto
A linha de sobretensão no mapa de desempenho do compressor:
- Linha de surto: limite operacional estável mais à esquerda no mapa do compressor
- Operação segura: À direita da linha de maré alta (fluxos mais elevados)
- Zona de surto: À esquerda da linha de sobretensão (instável, proibida)
- Margem: Normalmente, opera-se com margem de fluxo 10-20% à direita da linha de sobrepressão.
Eventos desencadeadores
- Redução da demanda: A demanda do processo diminui, o fluxo se reduz.
- Restrição de descarga: Fechamento ou bloqueio da válvula
- Redução de velocidade: Compressor desacelerando sem redução proporcional do fluxo
- Alterações na densidade: Alterações no peso molecular ou na temperatura que afetam as características do compressor.
- Falta: Depósitos nas pás reduzem a capacidade do compressor.
Efeitos e consequências
Vibração
- Amplitude: Pode atingir 25-50 mm/s (1-2 pol/s) ou mais.
- Componente Axial: Particularmente grave na direção axial.
- Baixa frequência: pulsações de 0,5 a 10 Hz
- Máquina completa: Todo o conjunto do compressor balança e treme.
Danos mecânicos
- Falha de rolamento: Impactos repentinos destroem rolamentos em poucas horas.
- Danos no selo: Movimentos axiais e inversões de pressão destroem as vedações.
- Danos no eixo: Tensão de flexão e torção devido à reversão do fluxo
- Dano da lâmina: Cargas aerodinâmicas alternadas causando fadiga, possível desprendimento da pá
- Danos no acoplamento: Choque torsional danificando acoplamentos
- Rolamento de encosto: A alternância rápida de impulso pode destruir o rolamento de impulso.
Consequências do Processo
- Oscilações de pressão e fluxo que afetam o processo a jusante
- Excursões de temperatura devido a ciclos de compressão/expansão
- Possíveis perturbações no processo ou desarmes do sistema de segurança
- Problemas de qualidade do produto decorrentes de condições instáveis
Detecção
Assinatura de vibração
- Início súbito de pulsação de baixa frequência e grande amplitude
- Frequência na faixa de 0,5 a 10 Hz
- Forte vibração axial
- Amplitude instável e variável
Assinatura acústica
- Som alto e estrondoso ou de assobio
- Pulsação rítmica audível na frequência de surto
- Distintivo e inconfundível
Indicadores de processo
- pressão de descarga oscilante
- Fluxo oscilante (pode inverter)
- Flutuações de temperatura
- flutuações da corrente do motor
Prevenção: Controle de surtos
Componentes do sistema anti-surto
Válvula de reciclagem
- Válvula de ação rápida que desvia a descarga do compressor para a sucção.
- Abre-se para aumentar o fluxo ao se aproximar da linha de sobrepressão.
- Dimensionado para fluxo total do compressor, se necessário.
Medição de vazão e pressão
- Monitoramento contínuo da vazão e do aumento de pressão
- Trace o ponto de operação no mapa do compressor.
- Detectar aproximação à linha de surto
Controlador
- Calcula a distância até a linha de surto.
- Abre a válvula de recirculação ao se aproximar de uma sobretensão (com margem de segurança).
- Os sistemas modernos utilizam algoritmos adaptativos.
- Tempo de resposta crítico ((Requisito típico: < 1 segundo)
Procedimentos Operacionais
- Nunca opere à esquerda da linha de sobretensão.
- Manter a margem de fluxo 10-20% contra picos
- Alterações graduais de carga (evitar quedas bruscas de demanda)
- Verifique se o sistema de proteção contra surtos está funcionando corretamente antes de iniciar o sistema.
- Teste a proteção contra surtos periodicamente.
Resposta a emergências
Se ocorrer uma sobrecarga
- Ação imediata: Abra a válvula de recirculação manualmente se o sistema automático falhar.
- Aumentar o fluxo: Descarga aberta, redução da resistência, início de unidades em paralelo
- Reduzir o aumento da pressão: Compressor lento se a velocidade for variável.
- Desligamento de emergência: Se a sobrecarga não puder ser interrompida em 10 a 30 segundos
- Não reinicie: Até que a causa seja identificada e corrigida.
Inspeção pós-sobretensão
- Verifique se há danos na lâmina.
- Verificar o estado do rolamento
- Verificar a integridade do lacre
- Examine o rolamento de encosto.
- Realizar análise de vibração antes de retornar ao serviço
Sobrecarga versus outras instabilidades
Surto versus estol rotativo
- Surto: Oscilação do fluxo em todo o sistema, frequência muito baixa (0,5-10 Hz)
- Estol rotativo: Células de estol localizadas girando em torno do anel, frequência mais alta (0,2-0,8× a velocidade do rotor)
- Gravidade: Ondas mais destrutivas, estagnação pode ser precursora de ondas.
Onda versus recirculação
- Surto: Instabilidade específica do sistema, reversão de fluxo e comportamento do compressor
- Recirculação: Pode ocorrer em bombas ou compressores, com reversão de fluxo localizada, menos grave.
- Relação: A recirculação pode causar sobrecarga nos compressores.
A oscilação de pressão é a condição operacional mais perigosa para compressores centrífugos e axiais, capaz de destruir o equipamento em minutos. Compreender o mecanismo de oscilação, reconhecer os limites da linha de oscilação, implementar um controle anti-oscilação eficaz e manter margens operacionais adequadas são absolutamente essenciais para a operação segura de compressores em aplicações industriais de compressão de gases.
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